Outils de simulation

ADEL-Wheat et Caribu sont des outils de simulation inclus dans la plate-forme open source OpenAlea (Pradal et al.,2008) dédiée à la modélisation des scènes typiques de canopées. Ces outils sont briève-ment présentés dans cette section, ainsi que les adaptations nécessaires requises pour notre travail.

2.2.1.1 Simulation des scènes de canopées de blé avec ADEL-Wheat

ADEL-Wheat (Fournier et al., 2003) est un modèle de canopée dédié aux cultures de blé, qui per-met de générer des descriptions dynamiques 3D de la structure du couvert, depuis la levée jusqu'à la récolte. Son développement a été basé sur l'observation de données réelles, en tenant compte des règles d'évolution dynamique ainsi que des paramètres structurels qui peuvent être ajustés d'une var-iété à l'autre (courbure et disposition des feuilles, géométrie et inclinaison des talles, etc.). D'autres paramètres comme la vitesse de de sénescence peuvent être également contrôlés.

Par conséquent, ADEL-Wheat peut générer une scène 3D typique de couvert de blé à n'importe quel stade phénologique spécié par l'utilisateur exprimé en degrés jour1 (C d) depuis l'émergence de la plante. Chaque organe est représenté par un ensemble de polygones. Une étiquette est attachée à chaque polygone, indiquant le type d'organe (tige, feuille fraîche, feuille sénescente, etc.). ADEL-Wheat, ainsi que les outils nécessaires à la visualisation de sa sortie 3D (PlantGL, 3D Viewer) sont inclus dans la plate-forme OpenAlea. La gure 2.2 illustre des exemples de modèles de canopées de blé simulé par ADEL-Wheat selon les deux variétés Maxwell et Soissons à 1200 ° C d. Elles sont caractérisées par des paramètres structurels diérents des feuilles: exible pour Soissons et erectophile pour Maxwell. Ces modèles sont associés à une fonction de périodisation, an d'obtenir une canopée virtuelle de dimensions innies lors de l'application d'un modèle de propagation de lumière.

Figure 2.2  Exemples de simulation de canopée de blé avec ADEL-Wheat à 1200 C d pour deux variétés. A gauche: Soissons. A droite: Maxwell

2.2.1.2 Simulation de la propagation de la lumière avec Caribu

Une fois que les scènes de canopée de blé ont été modélisées à l'aide du modèle ADEL-Wheat, la deuxième étape est de simuler la propagation de la lumière selon les propriétés optiques des feuilles. À cette n, le modèle de propagation de la lumière Caribu a été utilisé.

Ce dernier a été développé pour évaluer la quantité de lumière reçue par chaque organe dans une structure de canopée donnée. Il s'agit d'un outil de simulation proposé par la plate-forme OpenAlea, qui repose sur le modèle de radiosité imbriquée développé par Chelle and Andrieu (1998). En plus de la géométrie 3D de la canopée dénie précédemment, Caribu doit disposer des propriétés optiques de chaque type d'organe (et donc de chaque polygone) en termes de réectance et de transmittance, ainsi que la répartition de la source d'éclairage au-dessus de la canopée.

1Les degrés-jour consiste en une unité utilisée pour mesurer la durée d'un cycle vital ou d'une phase particulière de croissance d'un organisme obtenu en multipliant le temps par la température moyenne au cours de ce nombre spécique de jours.

2.2 Matériels et méthodes Dans ce qui suit, nous avons utilisé un éclairage standard proposé par le package Caribu, qui correspond à un ciel couvert. Il est constitué de seize sources directionnelles réparties au-dessus de la canopée, an de simuler des conditions réelles d'un éclairage dius. L'intensité du rayonnement source augmente lorsqu'on s'approche du zénith (Figure 2.3).

Figure 2.3  Distribution de la source d'éclairage utilisée pour la simulation Caribu (représentation polaire). La taille de chacun des 16 disques est proportionnelle à la radiance de la source correspondante. Le zenith est au centre du cercle. Les chires environnants se rapportent aux angles azimutaux

(Σ).

Une fois les sources d'éclairage dénies, Caribu calcule pour tous les polygones de la scène 3D la quantité de lumière directe et diuse reçue.

Pour réaliser ce calcul, plusieurs hypothèses sont utilisées. Tout d'abord, les polygones sont censés être des surfaces lambertiennes, c'est-à-dire que la quantité de lumière rééchie ne dépend pas des directions des rayonnements incidents et rééchis. De plus, au-delà d'une certaine distance, la contribution de la végétation environnante, qui est très faible, est approximée à l'aide d'un modèle multicouche (contributions lointaines): chaque couche est représentée par un modèle SAIL (milieu turbide) et pour chacune, les statistiques d'orientation des feuilles sont calculées à partir de la scène ADEL-Wheat. Dans la présente étude, ce seuil de distance a été xé à 0,7 mètre. La gure 2.4illustre ce schéma de calcul.

Figure 2.4  Contributions à proximité (radiosité imbriquée) et contributions lointaines (modèle multicouche) dans le schéma de simulation de Caribu pour une canopée de blé générée avec ADEL-Wheat

2.2.1.3 Adaptation de Caribu à la simulation d'imagerie hyperspectrale

Comme notre objectif était de simuler et d'analyser la réexion apparente observée à partir d'un imageur hyperspectral installé au-dessus de la canopée et pointant dans la direction au nadir, des adaptations mineures ont été apportées au modèle Caribu:

1. Option de réexions multiples:

Les feuilles sont généralement éclairées à la fois par la lumière directe du ciel, et par la réectance ou la transmittance de la lumière des feuilles voisines (réexion multiple). An d'évaluer les eets de réexions multiples, une option a été ajoutée, permettant de mettre à zéro toutes les valeurs de réectance et de transmittance des polygones. Cette option a pour eet d'activer ou désactiver la réexion multiple pendant la simulation.

Par la suite on désigne par:

·MSD2 = Sans réexions multiples. ·MSE3 = Avec réexions multiples.

2. Filtrage des polygones visibles:

Seule une partie des polygones formant la représentation de la canopée 3D sont visibles au nadir et contribuent ainsi à l'image hyperspectrale. Pour les sélectionner, une première simulation a été faite pour chaque scène de canopée, dans laquelle la seule source de lumière était une source de lumière directionnelle dans la direction au nadir et l'option de réexion multiple était désactivée. Ensuite, seuls les polygones recevant de la lumière dans ces conditions ont été choisis pour l'étude.

2Multiple Scattering Disabled 3Multiple Scattering Enabled

2.2 Matériels et méthodes 3. Valeur de luminance en sortie:

La sortie standard de Caribu est la quantité de lumière Ei reçue sur chaque face de chaque polygone i. Comme notre objectif était de calculer la quantité de lumière rééchie perçue par le capteur hyperspectral de chaque polygone, chaque valeur Ei (éclairement) a été multipliée par la réectance du polygone Ri à la n du processus de simulation an d'obtenir une valeur de luminance.

4. Correction en réectance:

Habituellement, l'imagerie hyperspectrale nécessite la conversion des données de luminance en données de réectance, en utilisant une surface de référence dans la scène (Vigneau et al.,2011) pour tenir compte de la composition spectrale des sources d'éclairage. Dans le présent modèle de simulation, cette étape a été évitée par la dénition de sources d'éclairage blanches, c'est-à-dire des sources dont la quantité de lumière est xée à 1 pour toutes les longueurs d'onde, au lieu de sources reproduisant le spectre naturel d'éclairage extérieur. De cette façon, les valeurs de luminances peuvent être assimilées à des valeurs de réectance.

5. Hauteur des polygones de sortie:

An de permettre une analyse plus approfondie de l'inuence de la position des feuilles à l'intérieur de la canopée, la hauteur de chaque polygone a été systématiquement documentée en association avec le spectre simulé correspondant.